(57)【要約】  本発明は超広角の高解像度の光学システムを開示しており、前記光学システムは、人の目の観察側から画像表示ユニット（３０）側までに位置され且つ光軸方向に沿って同軸的に順次に並んでいる第１のレンズ（２１）と、第２のレンズ（２２）と、第３のレンズ（２３）と、第４のレンズ（２４）と、第５のレンズ（２５）とを含み、前記第１のレンズ（２１）と、第２のレンズ（２２）と、第３のレンズ（２３）と、第４のレンズ（２４）と、第５のレンズ（２５）との焦点距離は、所定の関係を満たす必要があり、且つ前記第１のレンズ（２１）と、第３のレンズ（２３）と、第４のレンズ（２４）とは、いずれも正レンズであり、前記第２のレンズ（２２）と第５のレンズ（２５）とは、いずれも負レンズである。前記第１のレンズ（２１）と、第２のレンズ（２２）と、第３のレンズ（２３）と、第４のレンズ（２４）と、第５のレンズ（２５）とはｄ線の屈折率及びアッベ数も同時に所定の関係を満たす。よって、表示ユニットに表示されている画像は、光学システムにより拡大され、人の目に結像する。更に、前記光学システムを含むヘッドマウント表示装置を開示する。  【選択図】  図１
2019529987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、
人の目の観察側から画像表示ユニット側までに位置され且つ光軸方向に沿って同軸的に順次に並んでいる第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズと、第５のレンズとを含み、
前記第１のレンズの焦点距離はｆ１であり、第２のレンズの焦点距離はｆ２であり、第３のレンズの焦点距離はｆ３であり、第４のレンズの焦点距離はｆ４であり、第５のレンズの焦点距離はｆ５であり、システムの全長はｆｔであり、且つ以下の条件式を満たし、
１．５＜ｆ１/ｆｔ＜３、−２＜ｆ２/ｆｔ＜−１．２、２＜ｆ３/ｆｔ＜２．５、０．５＜ｆ４/ｆｔ＜１．５、−６＜ｆ５/ｆｔ＜−１、
前記第１のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズとは、いずれも正レンズであり、前記第２のレンズと第５のレンズとは、いずれも負レンズである、
ことを特徴とする光学システム。
【請求項２】
前記第４のレンズと第５のレンズとは、非球面であり、前記第３のレンズの前記第４のレンズに向かう面は、非球面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズの前記第２のレンズに向かう面とは、球面である、
ことを特徴とする請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズの前記第２のレンズに向かう面とは、非球面である、
ことを特徴とする請求項２に記載の光学システム。
【請求項５】
前記第４のレンズの前記第３のレンズに向かう面は、前記第３のレンズ側へ突出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項６】
前記第４のレンズの前記第５のレンズに向かう面は、前記第５のレンズ側へ突出する、
ことを特徴とする請求項５に記載の光学システム。
【請求項７】
前記第１のレンズの前記絞りに向かう面は、前記人の目の観察側へ突出する、
ことを特徴とする請求項６に記載の光学システム。
【請求項８】
前記第２のレンズの前記第１のレンズに向かう面は、前記第３のレンズ側へ凹む、
ことを特徴とする請求項７に記載の光学システム。
【請求項９】
前記第３のレンズの前記第４のレンズに向かう面は、前記第４のレンズ側へ突出する、
ことを特徴とする請求項８に記載の光学システム。
【請求項１０】
ヘッドマウント表示装置であって、
表示ユニットと、光学システムとを含み、
前記光学システムは、人の目と前記表示ユニットとの間に位置され、
前記光学システムは、請求項１〜９のいずれかに記載の光学システムである、
ことを特徴とするヘッドマウント表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学技術分野に関し、特に、光学システム及びそれを用いたヘッドマウント表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
技術の発展に伴い、ヘッドマウント表示装置（Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔ  Ｄｉｓｐｌａｙ、ＨＭＤ）の開発及び研究も著しく発展している。ヘッドマウント表示装置は、１組の光学システムを介して表示画面の画像を拡大し、且つ人の目からある程度の距離を離れる位置に拡大された虚像を呈することにより、ユーザを仮想のシナリオに没頭させ、外部からの干渉を受けないようにする。光学システムは、ヘッドマウント表示装置の重要なコンポーネントである。ヘッドマウント表示装置は、コンパクトな構成や、軽量であることなどの特徴を備えるため、高解像度の結像品質を保持すると共に、より広い視野を備える必要がある光学システムを所望する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、ヘッドマウント表示装置に適合し、且つ大視野及び高解像度を併せ持つ光学システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題を実現するため、本発明が提供する光学システムは、人の目の観察側から画像表示ユニット側までに位置され且つ光軸方向に沿って同軸的に順次に並んでいる第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズと、第５のレンズとを含み、前記第１のレンズの焦点距離はｆ１であり、第２のレンズの焦点距離はｆ２であり、第３のレンズの焦点距離はｆ３であり、第４のレンズの焦点距離はｆ４であり、第５のレンズの焦点距離はｆ５であり、システムの全長はｆｔであり、且つ以下の条件式を満たす。
１．５＜ｆ１/ｆｔ＜３、−２＜ｆ２/ｆｔ＜−１．２、２＜ｆ３/ｆｔ＜２．５、０．５＜ｆ４/ｆｔ＜１．５、−６＜ｆ５/ｆｔ＜−１
前記第１のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズとは、いずれも正レンズであり、前記第２のレンズと第５のレンズとは、いずれも負レンズである。
【０００５】
更に、前記第４のレンズと第５のレンズとは、非球面であり、前記第３のレンズの前記第４のレンズに向かう面は、非球面である。
【０００６】
更に、前記第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズの前記第２のレンズに向かう面とは、球面である。
【０００７】
更に、前記第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズの前記第２のレンズに向かう面とは、非球面である。
【０００８】
更に、前記第４のレンズの前記第３のレンズに向かう面は、前記第３のレンズ側へ突出する。
【０００９】
更に、前記第１のレンズの前記絞りに向かう面は、前記人の目の観察側へ突出する。
【００１０】
更に、前記第２のレンズの前記第１のレンズに向かう面は、前記第３のレンズ側へ凹む。
【００１１】
更に、前記第３のレンズの前記第４のレンズに向かう面は、前記第４のレンズ側へ突出する。
【００１２】
また、前記課題を実現するため、本発明は、表示ユニット及び光学システムを含むヘッドマウント表示装置を提供する。前記光学システムは、人の目と前記表示ユニットとの間に位置し、前記光学システムは前記いずれか一項の光学システムである。
【００１３】
従来技術と比べて、本発明の光学システム及びそれを用いたヘッドマウントデバイスは、正レンズと負レンズとの組合せにより、各レンズの焦点距離、屈折率及びアッベ数が所定の関係を満足する。よって、光学システムは、大視野角及び高解像度という特徴を備え、幅広い範囲に適用され、高臨場感の視覚体験効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下に、図面を参照しながら説明される実施形態は例示的なものであり、図面に示された各要素は、実際の大きさ及び比例関係を代表するものではなく、本発明を解釈するためだけに用いられ、本発明を限定するものと理解してはいけない。
【図１】本発明の第１の実施形態における光学システムの光路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における光学システムの伝達関数（ＭＴＦ）図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における光学システムの点列図である。
【図４ａ】本発明の第１の実施形態における光学システムの像面湾曲曲線図である。
【図４ｂ】本発明の第１の実施形態における光学システムの歪み曲線図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における光学システムの光路図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における光学システムの伝達関数（ＭＴＦ）図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における光学システムの点列図である。
【図８ａ】本発明の第２の実施形態における光学システムの像面湾曲曲線図である。
【図８ｂ】本発明の第２の実施形態における光学システムの歪み曲線図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における光学システムの光路概略図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態における光学システムの伝達関数（ＭＴＦ）図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態における光学システムの点列図である。
【図１２ａ】本発明の第３の実施形態における光学システムの像面湾曲曲線図である。
【図１２ｂ】本発明の第３の実施形態における光学システムの歪み曲線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の課題、技術案及び利点を更に明確するように、以下、実施形態及び図面を参照しながら、本発明を説明する。本明細書に記載された実施形態は、本発明を解釈するためだけに用いられ、本発明を限定するものと理解してはいけない。
【００１６】
図１を参照すると、図1は本発明の第１の実施形態における光学システム１の概略図を示す。前記光学システム１は、ヘッドマウント表示装置（図示せず）に取り付けられることができる。前記ヘッドマウント表示装置は、表示ユニット３０を更に含む。前記光学システム１は、人の目の観察側から表示ユニット３０側へ（左から右へ）、絞り１０と、第１のレンズ２１と、第２のレンズ２２と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４と、第５のレンズ２５と、表示ユニット３０とを順次に並んで含む。本実施形態において、絞り１０は、光学システム結像の射出瞳、一つの仮想の発光孔径である。人の目の瞳孔が絞り１０の場所に位置する場合、最高の結像効果を達成することができる。本実施形態において、第１のレンズ２１と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４とは、いずれも正レンズであり、第２のレンズ２２及び第５のレンズ２５は、負レンズである。
【００１７】
絞り１０の表面番号をＦ０とし、順次に（左から右へ）類推すると、表示ユニット３０の表面はＦ１１になる。具体的に、第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１は、絞り１０側へ突出する。第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１の曲率半径は、正の数値である。第２のレンズ２２の第１のレンズ２１に向かう面Ｆ３は、第３のレンズ２３側へ凹み、第２のレンズ２２の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ４は、第３のレンズ２３側へ突出する。第２のレンズ２２の面Ｆ３及び面Ｆ４の曲率半径は、いずれも負の数値である。第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６は、第４のレンズ２４側へ突出し、且つ第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６の曲率半径は、負の数値である。第４のレンズ２４の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ７は、第３のレンズ２３側へ突出し、第４のレンズ２４が第５のレンズ２５に向かう面Ｆ８は、第３のレンズ２３側へ凹み、第４のレンズ２４の面Ｆ７の曲率半径は、正の数値であり、第４のレンズ２４の面Ｆ８の曲率半径は、負の数値である。第５のレンズ２５の表示ユニット３０側に向かう面Ｆ１０は、第４のレンズ２４側へ凹み、第５のレンズ２５の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ９の二つのエッジ端は、表示ユニット３０へ凹む。第５のレンズ２５の面Ｆ９及び面Ｆ１０の曲率半径は、いずれも正の数値である。
【００１８】
第１のレンズ２１及び第２のレンズ２２は、球面を採用し、第４のレンズ２４及び第５のレンズ２５は、非球面を採用し、第２のレンズ２２寄りの第３のレンズ２３の面Ｆ５は、球面を採用し、第４のレンズ２４寄りの第３のレンズ２３の面Ｆ６は、非球面を採用する。よって、システムの収差を十分に補正することができる。
【００１９】
本実施形態において、第１のレンズの焦点距離はｆ１であり、第２のレンズの焦点距離はｆ２であり、第３のレンズの焦点距離はｆ３であり、第４のレンズの焦点距離はｆ４であり、第５のレンズの焦点距離はｆ５であり、システムの全長はｆｔであり、且つ以下の条件式を満たす。
１．５＜ｆ１/ｆｔ＜３、−２＜ｆ２/ｆｔ＜−１．２、２＜ｆ３/ｆｔ＜２．５、０．５＜ｆ４/ｆｔ＜１．５、−６＜ｆ５/ｆｔ＜−１
【００２０】
具体的に、表１を参照すると、表１は本発明の第１の実施形態における光学システムの設計データを示す。
【表１】
2019529987.tif 000003
【００２１】
表２を参照すると、表２は本発明の第１の実施形態における非球面レンズの設計データを示す。
【表２】
2019529987.tif 000004
【００２２】
表３を参照すると、表３は本発明の第１の実施形態における各レンズの焦点距離の設計データを示す。
【表３】
2019529987.tif 000005
【００２３】
図２に示す本発明の第１の実施形態における光学システムの伝達関数図を参照する。光学伝達関数ＭＴＦは、システムの結像品質を総合的に反映することができ、曲線形状が平滑になり、且つ横軸の高さが高ければ高いほど（即ち、１に近くなるほど）、システムの結像品質が良くなる。図面において、０．０００ｍｍ〜２５．５０ｍｍの像高の像質を示し、図３により、伝達関数の曲線は、比較的に平滑であり、曲線で示すＭＴＦ値が非常に高く、システムの収差に対して良好な補正を得たことが分かる。
【００２４】
図３は、本発明の第１の実施形態における光学システムの点列図である。点列図は、回折効果を無視し、光学システムの結像の幾何形状を反映する。大収差システムの点列図において、点の分布は、類似的に点像のエネルギー分布を指す。よって、画質の評価において、点列図の密集度でシステムの結像品質の良さを直接に反映・評価することができ、点列図のＲＭＳの半径が小さければ小さいほど、システムの結像品質が良くなる。図３に示すような点列図によれば、前記光学システムの各視野の光スポットが小さいため、システムのエネルギーの分布を最適化し、収差に対する補正が良いことが分かる。
【００２５】
図４（ａ）と図４（ｂ）とには、本発明の第１の実施形態における光学システムの像面湾曲と歪み曲線をそれぞれ示す。像面湾曲は、物平面を曲面像に形成する収差であり、タンジェンシャル像面湾曲とサジタル像面湾曲を介して表示される必要があり、図４（ａ）に示すように、像面湾曲の曲線におけるＴ線は、タンジェンシャル像面湾曲であり、Ｓ線は、サジタル像面湾曲であり、両者の差は、光学システムの非点収差である。像面湾曲と非点収差は、光学システムの軸外視野光線に影響を与える重要な収差であり、両者の差が大きすぎると、光学システムの軸外光線の結像品質に大きな影響を与え得る。図面に示すように、光学システムの像面湾曲と非点収差がいずれも極めて小さい範囲に補正されたことが分かる。
【００２６】
歪みは、光学システムの解像度に影響を与えないが、システムの図形の変形を起こす。広角レンズに対して歪みを補正するのは極めて難しいため、画像の後処理により解決することができる。
【００２７】
図２−図４は、本発明の第１の実施形態における光学システムの大視野及び高結像品質の特徴を示す。
【００２８】
図５を参照すると、図５は本発明の第２の実施形態における光学システム２の概略図を示す。前記光学システムは、人の目の観察側から表示ユニット３０側へ（左から右へ）、絞り１０と、第１のレンズ２１と、第２のレンズ２２と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４と、第５のレンズ２５と、表示ユニット３０とを順次に並んで含み。第１のレンズ２１と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４とは、いずれも正レンズであり、第２のレンズ２２及び第５のレンズ２５は、負レンズである。
【００２９】
絞り１０の表面番号をＦ０とし、順次に（左から右へ）類推すると、表示ユニット３０の表面はＦ１１になる。具体的に、第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１は、絞り１０側へ突出する。第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１の曲率半径は、正の数値である、第１のレンズ２１の第２のレンズ２２に向かう面Ｆ２の曲率半径は、負の数値である。第２のレンズ２２の第１のレンズ２１に向かう面Ｆ３は、第３のレンズ２３側へ凹み、第２のレンズ２２の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ４は、第３のレンズ２３側へ突出する。第２のレンズ２２の面Ｆ３及び面Ｆ４の曲率半径は、いずれも負の数値である。第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６は、第４のレンズ２４側へ突出し、且つ第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６の曲率半径は、負の数値である。第４のレンズ２４の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ７は、第３のレンズ２３側へ突出し、第４のレンズ２４が第５のレンズ２５に向かう面Ｆ８は、第３のレンズ２３側へ凹み、第４のレンズ２４面Ｆ７及び面Ｆ８の曲率半径は、いずれも正の数値である。第５のレンズ２５が表示ユニット３０に向かう面Ｆ１０は、第４のレンズ２４側へ凹み、第５のレンズ２５の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ９は、第４のレンズ２４側へ突出する。第５のレンズ２５面Ｆ９及びＦ１０の曲率半径は、正の数値である。
【００３０】
第１のレンズ２１と、第２のレンズ２２と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４と、第５のレンズ２５とは、いずれも非球面を採用する。よって、第２の実施形態における光学システムの全てのレンズは、非球面設計を採用するため、システムの収差を十分に補正できるだけではなく、可視像が歪むという課題を解决でき、同時にレンズを更に軽量化、薄層化、平坦化させる。
【００３１】
本実施形態において、第１のレンズの焦点距離はｆ１であり、第２のレンズの焦点距離はｆ２であり、第３のレンズの焦点距離はｆ３であり、第４のレンズの焦点距離はｆ４であり、第５のレンズの焦点距離はｆ５であり、システムの全長はｆｔであり、且つ以下の条件式を満たす。
１．５＜ｆ１/ｆｔ＜３、−２＜ｆ２/ｆｔ＜−１．２、２＜ｆ３/ｆｔ＜２．５、０．５＜ｆ４/ｆｔ＜１．５、−６＜ｆ５/ｆｔ＜−１
【００３２】
具体的に、表４を参照すると、表４は本発明の第２の実施形態における光学システムの設計データを示す。
【表４】
2019529987.tif 000006
【００３３】
表５を参照すると、表５は本発明の第２の実施形態における非球面レンズの設計データを示す。
【表５】
2019529987.tif 000007
【００３４】
表６を参照すると、表６は本発明の第２の実施形態における各レンズの焦点距離の設計データ示す。
【表６】
2019529987.tif 000008
【００３５】
図６に示す本発明の第２の実施形態における光学システムの伝達関数図を参照する。図面において、０．０００ｍｍ〜２５．５０ｍｍの像高の像質を示し、図６に示すように、伝達関数の曲線は、比較的に平滑であり、曲線で示すＭＴＦ値が非常に高く、システムの収差に対して良好な補正を得たことが分かる。
【００３６】
図７は、本発明の第２の実施形態における光学システムの点列図である。前記点列図により、本実施例の各視野光線が画像ソースの平面（表示デバイスＩ）におけるディフューズスポットの半径が小さくかつ均一であり、異なる波長の光線が同じ視野にフォーカスして形成されるディフューズスポットのずれの程度が低く、光学システムの収差に対する補正がよく、前記接眼光学システムを介して全体均一かつ高光学性能の表示画像を観察することができることが分かる。
【００３７】
図８（ａ）と図８（ｂ）とには、本発明の第２の実施形態における光学システムの像面湾曲と歪み曲線をそれぞれ示す。本実施例において、像面湾曲と、非点収差と、歪み収差とに対する制御が良く、大視野角かつ高画質の効果を実現することができることを示す。
【００３８】
図６−図８は、第２の実施形態における光学システム大視野及び高結像品質の特徴を総合的に示す。
【００３９】
図９を参照すると、図９は本発明の第３の実施形態における光学システム３の概略図を示す。前記光学システム１は、人の目の観察側から表示ユニット３０側（左から右へ）へ、絞り１０と、第１のレンズ２１と、第２のレンズ２２と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４と、第５のレンズ２５と、表示ユニット３０とを順次に並んで含む。第１のレンズ２１と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４とは、いずれも正レンズであり、第２のレンズ２２及び第５のレンズ２５は、負レンズである。
【００４０】
絞り１０の表面番号をＦ０とし、順次に（左から右へ）類推すると、表示ユニット３０表面はＦ１１になる。具体的に、第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１は、絞り１０側へ突出し、第１のレンズ２１が第２のレンズ２２に向かう面Ｆ２は、絞り１０側へ凹み、且つ第１のレンズ２１面Ｆ１及び面Ｆ１の曲率半径は、いずれも正の数値である。第２のレンズ２２の第１のレンズ２１に向かう面Ｆ３は、第３のレンズ２３側へ凹み、第２のレンズ２２の面Ｆ３及びＦ４の曲率半径は、いずれも負の数値である。第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６は、第４のレンズ２４側へ突出する。第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６の曲率半径は、負の数値である。第４のレンズ２４の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ７は、第３のレンズ２３側へ突出し、第４のレンズ２４が第５のレンズ２５に向かう面Ｆ８は、第３のレンズ２３側へ突出し、第４のレンズ２４の面Ｆ７の曲率半径は、正の数値であり、第４のレンズ２４の面Ｆ８の曲率半径は、負の数値である。第５のレンズ２５の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ９は、表示ユニット３０側へ凹み、第５のレンズ２５が表示ユニット３０に向かう面Ｆ１０は、第４のレンズ２４側へ凹む。第５のレンズ２５の面Ｆ９及びＦ１０の曲率半径は、いずれも負の数値である。
【００４１】
第１のレンズ２１及び第２のレンズ２２は、球面を採用し、第３のレンズ２３の第２のレンズ２２に向かう面は、球面であり、第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面は、非球面であり、第４のレンズ２４及び第５のレンズ２５は、非球面を採用する。
【００４２】
本実施形態において、第１のレンズの焦点距離はｆ１であり、第２のレンズの焦点距離はｆ２であり、第３のレンズの焦点距離はｆ３であり、第４のレンズの焦点距離はｆ４であり、第５のレンズの焦点距離はｆ５であり、システムの全長はｆｔであり、且つ以下の条件式を満たす。
１．５＜ｆ１/ｆｔ＜３、−２＜ｆ２/ｆｔ＜−１．２、２＜ｆ３/ｆｔ＜２．５、０．５＜ｆ４/ｆｔ＜１．５、−６＜ｆ５/ｆｔ＜−１
【００４３】
具体的に、下記の表７を参照すると、表７は本発明の第３の実施形態における光学システムの設計データを示す。
【表７】
2019529987.tif 000009
【００４４】
表８を参照すると、表８は本発明の第３の実施形態における非球面レンズの設計データを示す。
【表８】
2019529987.tif 000010
【００４５】
表９を参照すると、表９は本発明の第３の実施形態における各レンズの焦点距離の設計データを示す。
【表９】
2019529987.tif 000011
【００４６】
図１０に示す本発明の第３の実施形態における光学システムの伝達関数図を参照する。図面において、０．０００ｍｍ〜２５．５０ｍｍの像高の像質を示し、図３により、伝達関数の曲線は、比較的に平滑であり、曲線で示すＭＴＦ値が非常に高く、システムの収差に対して良好な補正を得たことが分かる。
【００４７】
図１１は、本発明の第３の実施形態における光学システムの点列図である。前記点列図により、本実施例の各視野光線が画像ソース平面（表示デバイスＩ）におけるディフューズスポットの半径が小さくかつ均一であり、異なる波長の光線が同じ視野にフォーカスして形成されるディフューズスポットのずれの程度が低く、光学システムの収差に対する補正がよく、前記接眼光学システムを介して全体均一かつ高光学性能の表示画像を観察することができることが分かる。
【００４８】
図１２（ａ）と図１２（ｂ）とには、本発明の第３の実施形態における光学システムの像面湾曲と歪み曲線をそれぞれ示す。本実施例において、像面湾曲と、非点収差と、歪み収差とに対する制御が良く、大視野角かつ高画質の効果を実現することができることを示す。
【００４９】
図９−図１２は、本実施例の光学システムの大視野及び高結像品質などの特徴を示す。以上に本発明の実施形態を示して説明したが、本発明の原理及び主旨を逸脱しない場合における任意の修正、取り替え及び変形などは、本発明の保護範囲に属するべきである。
【図１】
2019529987.tif 000012
【図２】
2019529987.tif 000013
【図３】
2019529987.tif 000014
【図４ａ】
2019529987.tif 000015
【図４ｂ】
2019529987.tif 000016
【図５】
2019529987.tif 000017
【図６】
2019529987.tif 000018
【図７】
2019529987.tif 000019
【図８ａ】
2019529987.tif 000020
【図８ｂ】
2019529987.tif 000021
【図９】
2019529987.tif 000022
【図１０】
2019529987.tif 000023
【図１１】
2019529987.tif 000024
【図１２ａ】
2019529987.tif 000025
【図１２ｂ】
2019529987.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月15日(2019.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、
人の目の観察側から画像表示ユニット側までに位置され且つ光軸方向に沿って同軸的に順次に並んでいる絞りと、第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズと、第５のレンズとを含み、
前記第１のレンズの焦点距離はｆ１であり、第２のレンズの焦点距離はｆ２であり、第３のレンズの焦点距離はｆ３であり、第４のレンズの焦点距離はｆ４であり、第５のレンズの焦点距離はｆ５であり、システムの全長はｆｔであり、且つ以下の条件式を満たし、
１．５＜ｆ１/ｆｔ＜３、−２＜ｆ２/ｆｔ＜−１．２、２＜ｆ３/ｆｔ＜２．５、０．５＜ｆ４/ｆｔ＜１．５、−６＜ｆ５/ｆｔ＜−１、
前記第１のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズとは、いずれも正レンズであり、前記第２のレンズと第５のレンズとは、いずれも負レンズである、
ことを特徴とする光学システム。
【請求項２】
前記第４のレンズと第５のレンズとは、非球面であり、前記第３のレンズの前記第４のレンズに向かう面は、非球面である、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記第１のレンズと第２のレンズとは、球面であり、
前記第３のレンズの前記第２のレンズに向かう面は、球面である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記第１のレンズと第２のレンズとは、非球面であり、
前記第３のレンズの前記第２のレンズに向かう面は、非球面である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学システム。
【請求項５】
前記第４のレンズの前記第３のレンズに向かう面は、前記第３のレンズ側へ突出する、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項６】
前記第４のレンズの前記第５のレンズに向かう面は、前記第５のレンズ側へ突出する、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項７】
前記第１のレンズの前記絞りに向かう面は、前記人の目の観察側へ突出する、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項８】
前記第２のレンズの前記第１のレンズに向かう面は、前記第３のレンズ側へ凹む、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項９】
前記第３のレンズの前記第４のレンズに向かう面は、前記第４のレンズ側へ突出する、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項１０】
ヘッドマウント表示装置であって、
表示ユニットと、光学システムとを含み、
前記光学システムは、人の目と前記表示ユニットとの間に位置され、
前記光学システムは、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学システムである、
ことを特徴とするヘッドマウント表示装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
前記課題を実現するため、本発明が提供する光学システムは、人の目の観察側から画像表示ユニット側までに位置され且つ光軸方向に沿って同軸的に順次に並んでいる絞りと、第１のレンズと、第２のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズと、第５のレンズとを含み、前記第１のレンズの焦点距離はｆ１であり、第２のレンズの焦点距離はｆ２であり、第３のレンズの焦点距離はｆ３であり、第４のレンズの焦点距離はｆ４であり、第５のレンズの焦点距離はｆ５であり、システムの全長はｆｔであり、且つ以下の条件式を満たす。
１．５＜ｆ１/ｆｔ＜３、−２＜ｆ２/ｆｔ＜−１．２、２＜ｆ３/ｆｔ＜２．５、０．５＜ｆ４/ｆｔ＜１．５、−６＜ｆ５/ｆｔ＜−１
前記第１のレンズと、第３のレンズと、第４のレンズとは、いずれも正レンズであり、前記第２のレンズと第５のレンズとは、いずれも負レンズである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図１を参照すると、図1は本発明の第１の実施形態における光学システム１の概略図を示す。前記光学システム１は、ヘッドマウント表示装置（図示せず）に取り付けられることができる。前記ヘッドマウント表示装置は、表示ユニット３０を更に含む。前記光学システム１は、人の目の観察側から表示ユニット３０側へ（左から右へ）、絞り１０と、第１のレンズ２１と、第２のレンズ２２と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４と、第５のレンズ２５とを順次に並んで含む。本実施形態において、絞り１０は、光学システム結像の射出瞳、一つの仮想の発光孔径である。人の目の瞳孔が絞り１０の場所に位置する場合、最高の結像効果を達成することができる。本実施形態において、第１のレンズ２１と、第３のレンズ２３と、第４のレンズ２４とは、いずれも正レンズであり、第２のレンズ２２及び第５のレンズ２５は、負レンズである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
絞り１０の表面番号をＦ０とし、五つのレンズの表面番号を順次に（図１に示したように左から右へ）類推すると、表示ユニット３０の表面はＦ１１になる。具体的に、第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１は、絞り１０側へ突出する。第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１の曲率半径は、正の数値である。第２のレンズ２２の第１のレンズ２１に向かう面Ｆ３は、第３のレンズ２３側へ凹み、第２のレンズ２２の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ４は、第３のレンズ２３側へ突出する。第２のレンズ２２の面Ｆ３及び面Ｆ４の曲率半径は、いずれも負の数値である。第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６は、第４のレンズ２４側へ突出し、且つ第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６の曲率半径は、負の数値である。第４のレンズ２４の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ７は、第３のレンズ２３側へ突出し、第４のレンズ２４が第５のレンズ２５に向かう面Ｆ８は、第３のレンズ２３側へ凹み、第４のレンズ２４の面Ｆ７の曲率半径は、正の数値であり、第４のレンズ２４の面Ｆ８の曲率半径は、負の数値である。第５のレンズ２５の表示ユニット３０側に向かう面Ｆ１０は、第４のレンズ２４側へ凹み、第５のレンズ２５の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ９の二つのエッジ端は、表示ユニット３０へ凹む。第５のレンズ２５の面Ｆ９及び面Ｆ１０の曲率半径は、いずれも正の数値である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
図２に示す本発明の第１の実施形態における光学システムの伝達関数図を参照する。光学伝達関数ＭＴＦは、システムの結像品質を総合的に反映することができ、曲線形状が平滑になり、且つ横軸の高さが高ければ高いほど（即ち、１に近くなるほど）、システムの結像品質が良くなる。図面において、０．０００ｍｍ〜２５．５０ｍｍの像高の像質を示し、図２により、伝達関数の曲線は、比較的に平滑であり、曲線で示すＭＴＦ値が非常に高く、システムの収差に対して良好な補正を得たことが分かる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
絞り１０の表面番号をＦ０とし、五つのレンズの表面番号を順次に（図５に示したように左から右へ）類推すると、表示ユニット３０の表面はＦ１１になる。具体的に、第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１は、絞り１０側へ突出する。第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１の曲率半径は、正の数値である、第１のレンズ２１の第２のレンズ２２に向かう面Ｆ２の曲率半径は、負の数値である。第２のレンズ２２の第１のレンズ２１に向かう面Ｆ３は、第３のレンズ２３側へ凹み、第２のレンズ２２の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ４は、第３のレンズ２３側へ突出する。第２のレンズ２２の面Ｆ３及び面Ｆ４の曲率半径は、いずれも負の数値である。第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６は、第４のレンズ２４側へ突出し、且つ第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６の曲率半径は、負の数値である。第４のレンズ２４の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ７は、第３のレンズ２３側へ突出し、第４のレンズ２４が第５のレンズ２５に向かう面Ｆ８は、第３のレンズ２３側へ凹み、第４のレンズ２４面Ｆ７及び面Ｆ８の曲率半径は、いずれも正の数値である。第５のレンズ２５が表示ユニット３０に向かう面Ｆ１０は、第４のレンズ２４側へ凹み、第５のレンズ２５の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ９は、第４のレンズ２４側へ突出する。第５のレンズ２５面Ｆ９及びＦ１０の曲率半径は、正の数値である。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
図７は、本発明の第２の実施形態における光学システムの点列図である。前記点列図により、本実施例の各視野光線が画像ソースの平面（表示デバイスＩ、これは表示ユニット３０に該当する）におけるディフューズスポットの半径が小さくかつ均一であり、異なる波長の光線が同じ視野にフォーカスして形成されるディフューズスポットのずれの程度が低く、光学システムの収差に対する補正がよく、前記接眼光学システムを介して全体均一かつ高光学性能の表示画像を観察することができることが分かる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
絞り１０の表面番号をＦ０とし、五つのレンズの表面番号を順次に（図９に示したように左から右へ）類推すると、表示ユニット３０表面はＦ１１になる。具体的に、第１のレンズ２１の絞り１０に向かう面Ｆ１は、絞り１０側へ突出し、第１のレンズ２１が第２のレンズ２２に向かう面Ｆ２は、絞り１０側へ凹み、且つ第１のレンズ２１面Ｆ１及び面Ｆ１の曲率半径は、いずれも正の数値である。第２のレンズ２２の第１のレンズ２１に向かう面Ｆ３は、第３のレンズ２３側へ凹み、第２のレンズ２２の面Ｆ３及びＦ４の曲率半径は、いずれも負の数値である。第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６は、第４のレンズ２４側へ突出する。第３のレンズ２３の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ６の曲率半径は、負の数値である。第４のレンズ２４の第３のレンズ２３に向かう面Ｆ７は、第３のレンズ２３側へ突出し、第４のレンズ２４が第５のレンズ２５に向かう面Ｆ８は、第３のレンズ２３側へ突出し、第４のレンズ２４の面Ｆ７の曲率半径は、正の数値であり、第４のレンズ２４の面Ｆ８の曲率半径は、負の数値である。第５のレンズ２５の第４のレンズ２４に向かう面Ｆ９は、表示ユニット３０側へ凹み、第５のレンズ２５が表示ユニット３０に向かう面Ｆ１０は、第４のレンズ２４側へ凹む。第５のレンズ２５の面Ｆ９及びＦ１０の曲率半径は、いずれも負の数値である。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
図１０に示す本発明の第３の実施形態における光学システムの伝達関数図を参照する。図面において、０．０００ｍｍ〜２５．５０ｍｍの像高の像質を示し、図１０により、伝達関数の曲線は、比較的に平滑であり、曲線で示すＭＴＦ値が非常に高く、システムの収差に対して良好な補正を得たことが分かる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図１１は、本発明の第３の実施形態における光学システムの点列図である。前記点列図により、本実施例の各視野光線が画像ソース平面（表示デバイスＩ、これは表示ユニット３０に該当する）におけるディフューズスポットの半径が小さくかつ均一であり、異なる波長の光線が同じ視野にフォーカスして形成されるディフューズスポットのずれの程度が低く、光学システムの収差に対する補正がよく、前記接眼光学システムを介して全体均一かつ高光学性能の表示画像を観察することができることが分かる。
【国際調査報告】
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